Neue Dual-Loop-Technologie für eine effizientere Ammoniakproduktion

Ammoniak wird im modernen Alltag immer wichtiger, doch bei seiner Herstellung gelangen weiterhin erhebliche Klimaschadstoffe in die Atmosphäre.

Ingenieure stellen nun einen praxistauglichen Ansatz vor, mit dem sich dieselbe Chemikalie energieärmer und mit geringeren Emissionen herstellen lassen soll.

Ein Design für industrielle Anlagen

Ammoniak erfüllt in der heutigen Welt zahlreiche Funktionen. Er ist ein zentraler Bestandteil anorganischer Düngemittel; entsprechende Anlagen liefern jedoch auch Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen und Sprengstoffen.

Zudem wird Ammoniak als flüssiger Trägerstoff für Wasserstoff untersucht.

Geleitet wurde die Arbeit von Dr. Sunghyun Cho, Assistenzprofessor an der Jeonbuk National University (JBNU) in Südkorea.

Seine Forschungsgruppe entwickelt Prozesssysteme für CO2-Neutralität, darunter Verfahren zur Umwandlung von Abfällen in Ressourcen, die Produktion sauberer Kraftstoffe, die CO2-Abscheidung und Prozessoptimierung.

Statt von der Industrie einen vollständigen Neubau aller Anlagen zu verlangen, entwickelte das Team ein vernetztes Reaktionssystem, das wichtige Materialien wiederverwertet.

Energiebedarf der Ammoniakproduktion

Der heute vorherrschende Herstellungsweg wird durch Druck und Hitze angetrieben, die beide meist aus der Verbrennung fossiler Energieträger stammen.

Beim Haber-Bosch-Verfahren verdichten Anlagen Stickstoff und Wasserstoff zur Reaktion, kühlen anschließend ab und führen nicht umgesetzte Stoffe in den Kreislauf zurück.

Nach dieser Einschätzung beansprucht die Ammoniakproduktion rund zwei Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs und verursacht etwa 1.3 Prozent der CO2-Emissionen des Energiesystems.

Jeder neue Produktionsweg muss diese Belastungen senken und zugleich die gewaltigen Mengen liefern können, die Landwirtschaft und Industrie benötigen.

Ein schonenderer chemischer Weg

Statt Gase unter extreme Bedingungen zu setzen, kann Chemical Looping, bei dem Feststoffe Sauerstoff zwischen Reaktoren transportieren, Energieverluste verringern.

Metalloxide werden in einem Reaktor reduziert und in einem anderen erneut oxidiert. Dadurch vermischt das System Luft nicht mit Brennstoffströmen.

„Diese Methode ermöglicht die Ammoniaksynthese ohne die energieintensiven Schritte und verbessert damit sowohl Nachhaltigkeit als auch Effizienz erheblich“, erklärte Cho.

Der Ansatz ist weiterhin auf langlebige Feststoffe angewiesen, denn Trägermaterialien, die leicht zerfallen oder vergiftet werden, würden eine Anlage stark beeinträchtigen.

Stickstoffspeicherung in Oxiden

Ein Kreislauf des Konzepts nutzt Aluminiumoxid, um Stickstoff in einem Feststoff zu binden und mit Dampf wieder Ammoniak freizusetzen.

Im ersten Schritt nahm der Feststoff Stickstoff gemeinsam mit Kohlenstoff auf und bildete Aluminiumnitrid, eine Verbindung, die Stickstoff speichert, bis Dampf Ammoniak daraus löst.

Später reagierte Wasserdampf mit diesem stickstoffreichen Feststoff; dabei wurde Ammoniak freigesetzt, während der gespeicherte Stickstoff erneut umgesetzt wurde.

Besonders entscheidend war die wiederholte Zyklisierung: Instabile Feststoffe würden bei einem industriellen Betriebsablauf Abfall, Stillstandszeiten und Kosten erhöhen.

Methan liefert Kohlenstoff bei Bedarf

Die Kreisläufe benötigen eine Kohlenstoffzufuhr, da der Schritt mit Aluminiumoxid festen Kohlenstoff zur Stickstoffbindung erfordert.

Das Team schlug die thermische Zersetzung von Methan vor. Dabei wird Methan ohne Sauerstoff erhitzt, bis es in Wasserstoffgas und festen Kohlenstoff zerfällt.

Der dabei entstehende feste Kohlenstoff versorgte die Reaktion zur Stickstoffbindung, während der Wasserstoff an anderer Stelle in einer integrierten Anlage genutzt werden könnte.

Der Klimavorteil hängt davon ab, dass dieser Kohlenstoff sachgerecht behandelt wird, denn eine Verbrennung oder Freisetzung würde den Nutzen zunichtemachen.

Eisenoxid schließt den Ammoniak-Kreislauf

Ein zweiter Kreislauf auf Basis von Eisenoxid übernahm die Bereitstellung von Stickstoff, sodass das System keine separate Stickstoffanlage brauchte.

Dabei wechselte Eisenoxid zwischen oxidierten und reduzierten Zuständen und gab anschließend Stickstoff für die Reaktion mit Aluminiumoxid frei.

Auch das im Aluminium-Kreislauf gebildete Kohlenmonoxid konnte als Ausgangsstoff dienen und den Eisen-Kreislauf vorantreiben.

Eine derart enge Verknüpfung kann die Effizienz steigern, bedeutet jedoch auch, dass eine Störung in einem Kreislauf beide Systeme zum Stillstand bringen kann.

Energiewerte auf zwei Arten bewertet

Um die Skalierbarkeit des Konzepts zu prüfen, analysierte das Team mehrere simulierte Anlagenauslegungen.

Erfasst wurden der Energieverbrauch und die Exergie – also nutzbare Energie, die tatsächlich Arbeit verrichten kann –, um Verluste sichtbar zu machen, die allein durch die Betrachtung von Wärme verborgen bleiben.

Gegenüber dem herkömmlichen Verfahren erhöhte der integrierte Fall die Energieeffizienz um 8.4 Prozent und die Exergieeffizienz um 19.0 Prozent.

Wärmetauscher verbesserten jede geprüfte Auslegung. Das zeigt, dass eine intelligente Wärmerückgewinnung auch bei einer neuen chemischen Prozessführung unverzichtbar bleibt.

Klimawirkung der Ammoniakproduktion

Effizienz ist für die Kosten relevant, doch der Klimadruck hängt davon ab, wie viel Erwärmung jedes Pfund Ammoniak verursacht.

Im günstigsten Fall verringerte das Modell die Auswirkungen um 15.85 Pfund (7.2 Kilogramm) CO2-Äquivalent – einer gängigen Einheit zum Vergleich wärmespeichernder Gase – je Pfund.

Diese Schätzung beruhte auf der Wiederverwendung von Reaktanten innerhalb der Kreisläufe, sodass weniger zusätzliche Prozessschritte mit weiterem Brennstoff betrieben werden mussten.

Die tatsächlichen Werte werden von den Stromquellen sowie davon abhängen, wie der feste Kohlenstoff verwendet, gespeichert oder verkauft wird.

Kosten und Risiken unter Druck

Niedrigere Emissionen sind nur dann relevant, wenn auch die Wirtschaftlichkeit stimmt, denn Ammoniakanlagen werden nach ihrer Errichtung typischerweise über Jahrzehnte betrieben.

Der integrierte Fall erreichte 336.97 Dollar für 2,204 Pfund (1,000 Kilogramm) Ammoniak, was die Autoren als Rückgang um 60.9 Prozent angaben.

Bei Sensitivitätstests wurden CO2-Preise und Energiekosten variiert; die Leistung blieb im simulierten System über diese Veränderungen hinweg stabil.

„Unsere Dual-Looping-Technologie kann in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, die eine großskalige Ammoniakproduktion benötigen, und dabei CO2-Emissionen senken sowie die wirtschaftliche Machbarkeit erhalten“, schloss Cho.

Mögliche Einsatzbereiche

Das Dual-Loop-Konzept verdeutlichte, wie sich durch die Verknüpfung von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wärmeströmen Ammoniak mit weniger Abfall erzeugen lässt.

Tests im Pilotmaßstab müssen zunächst die langfristige Haltbarkeit der Materialien und den sicheren Umgang mit Kohlenstoff belegen, bevor das Design in realen Anlagen eingesetzt werden kann.